Chega a época de 2003 e Jerome d'Ambrosio deixa as competições de karting e segue para as competições de corridas singulares, conseguindo logo o título de Campeão na Formula Renault 1600 Belga com cinco vitórias, três "pole positions" e sete voltas mais rápidas. Para além dessa competição, d'Ambrosio participa na Formula Koenig e consegue o 4º lugar final depois de quatro vitórias. De novo em duas frentes, a época seguinte revelou-se um pouco pobre para d'Ambrosio, em que apenas conseguiu duas subidas ao pódio na Formula Renault 2.0 Francesa, ficando com o 4º lugar e a participação em sete corridas da Formula Renault 2.0 Euro series garantiu-lhe o 15º lugar. A época de 2005 revela-se cheia para d'Ambrosio, na qual conseguiu o 4º lugar na Formula Renault 2.0 Italiana após uma vitória, o 3º lugar na Formular Renault 2.0 Winter series depois de duas vitórias e conseguiu subir duas vezes ao pódio na Formula Renault 2.0 Euro series. D'Ambrosio muda-se para a F3000 Italiana em 2006, onde conseguiu a 5ª posição no Campeonato depois da conquista de dois pódios e, para além disso, o piloto alemão ainda correu na Formula Renault 3.5 na mesma época.
Alterando a competição novamente, d'Ambrosio conseguiu o título de Campeão da Formula Master com a equipa Cram Competition depois de cinco vitórias, onze subidas ao pódio, uma "pole position" e sete voltas mais rápidas. Finalmente, d'Ambrosio corre na importante GP2 em 2008 na equipa DAMS, conseguindo o 11º lugar na série principal e o 2º lugar na série asiática, terminando atrás do seu colega de equipa Kamui Kobayashi. D'Ambrosio passa mais duas épocas na GP2 e com a equipa DAMS, conseguindo o 9º lugar e o 12º lugar no Campeonato, respectivamente. Em 2010, d'Ambrosio recebe a oportunidade de correr na F1 depois de efectuar testes pela Renault e Virgin Racing.
O seu desempenho demonstrado valeu-lhe um lugar ao volante da Virgin Racing em 2011. Apesar de saber que a competitividade do carro da equipa esteve muito aquém do esperado na época de 2010, d'Ambrosio partilha das ambições da Virgin em se destacar dos restantes novatos na F1 já este ano.